儿童肠道菌群生理功能及相关疾病的研究进展

肠道菌群生理功能及相关儿童疾病的研究进展

肠道是体内细菌定植的主要场所，胃肠道栖息的细菌大约重1000g，大约30个属，400～500多种，总体数量在1014以上，比人体细胞的10倍还多；肠道定植的细菌具有数量巨大、多样化、复杂性和动态性的特点，肠道菌群（intestinal microflora）是目前人体微生态学研究关注的核心。随着认识的深入和分子生物学技术的应用，证实肠道菌群对儿童重要的生理功能诸如免疫、代谢、营养等的发育成熟过程起着决定性的作用，与感染性疾病、肠道慢性炎症性疾病、过敏性疾病、自身免疫性疾病及代谢性疾病等密切相关。本文对近年来儿童肠道菌群生理功能及相关儿童疾病的研究新进展进行综述。1．肠道菌群的生理功能

肠道微生态承载着人类后天获得基因，参与人类正常生理和疾病病理过程，与人体健康密不可分。研究表明肠道菌群能防御感染与增强肠道屏障功能，对外来致病菌及条件致病菌的入侵具有较强的生物拮抗作用；肠道菌群可合成维生素并促进营养素吸收，刺激宿主免疫器官及其功能的发育；肠道菌群所生成的氨、硫化氢、胺、毒素等代谢产物是有害的，也促使机体完善免疫机制以清除之。近年来在肠道菌群对机体代谢和免疫作用方面特别引起关注。

1.1 肠道菌群与营养代谢功能

肠道菌群在食物的消化吸收方面发挥着重要作用。来自欧洲分子生物学实验室的科学家发现肠道菌群有三种不同的优势族群类型，其中Bacteroides（拟杆菌属）擅长分解碳水化合物，而Prevotella（普雷沃菌属）则倾向于分解肠道黏液，和Ruminococcus（瘤胃球菌属）会帮助细胞吸收糖类[1]，都是有助于食物的消化吸收。大量证据表明肠道菌群能竞争性消耗致病菌的营养素，促进钙、镁和铁等无机盐的吸收，参与了机体多种等维生素的合成；更重要是参与蛋白质、肽和氨基酸的代谢并具有改善脂质代谢的作用：肠道菌群可利用特有的酶类(如半乳糖苷酶等)分解未被上消化道水解吸收的营养物质，生成乙酸、丙酸和酪酸等短链脂肪酸(SCFA)，后者既能作为能量底物被机体利用（如酪酸提供结肠上皮能量，乙酸和丙酸可随门静脉到达肝脏和外周器官，成为糖原和脂肪合成的底物），也能调控人体抗组氨酸脱乙酰酶基因表达发挥抗癌作用，对G蛋白耦合受体基因表达发挥作用进而调控外周代谢器官脂肪合成[2]。

在研究肥胖及其相关代谢性疾病的过程中发现肥胖、糖尿病或者非酒精性脂肪肝的动物或成人身上都伴随着肠道菌群数量或组成的变化。动物模型实验表明肠道拟杆菌属增加会增加积聚和肥胖，婴儿期肠道较高的脆弱拟杆菌和葡萄球菌的减少与学龄期较高

体重指数有关[3]。Kalliomaki等[4]为了明确早期的肠道菌群是否与儿童肥胖相关，通过对25名超重的7岁儿童进行前瞻性研究，发现与体质量正常的同龄儿童相比，肠道双歧杆菌减少，肠球菌增多。Furet等[5]分析了肥胖者行减肥手术前后粪便菌群变化，结果发现普拉梭菌术前含量较低，且与炎症物质呈负相关，术后该细菌保持增长趋势，与宿主摄入食物无关。Larsen等[6]通过荧光定量PCR检测2型糖尿病患者肠道菌群发现厚壁菌属、梭菌属明显减少，有更丰富的变形菌，且该菌属与血糖水平成正相关，表明肠道菌群可能参与糖尿病的形成。

肠道菌群可能通过影响能量吸收、脂肪代谢以及细菌内毒素等途径引发肥胖和代谢紊乱。随着生活条件的改变，人类生活习惯和饮食结构也随之改变，长期高脂饮食导致能量过剩引起肥胖；高脂饮食可能与肠道菌群相互作用导致炎症：高脂饮食改变了肠道菌群的结构，肠内双歧杆菌减少，肠道通透性增加，肠上皮细胞合成乳糜颗粒增多，促进脂多糖吸收和运转到靶组，引起游离脂肪酸水平升高及炎症因子表达，导致糖尿病等代谢紊乱性疾病增多。Cani等[7]发现肠道双歧杆菌数量明显增多的大鼠，其内脏、附睾和皮下脂肪含量都有明显减少，与肥胖和糖尿病发病呈正相关的血浆促胰岛素多肽的水平也显著降低；双歧杆菌还能够促使肠道前体细胞向分泌细胞分化，使得血浆中的胰高血糖素样肽1和胰高血糖素样肽2水平明显升高。肥胖患者肠道菌群结构和发酵产物改变，引起一系列代谢过程变化，导致胰岛素抵抗；结肠细菌发酵膳食纤维释放SCFA，进一步提高机体能量摄取，调控外周代谢器官的脂肪合成；肠道菌群结构改变通过固有免疫机制导致肠粘膜屏障损伤和非酒精性脂肪肝等[21]。

1.2肠道菌群与免疫功能

肠道菌群与肠粘膜构成了人体最重要的外周免疫器官。维持肠道细菌与肠上皮稳态的免疫机制：粘膜层、肠上皮抗菌多肽、浆细胞分泌的分泌性免疫球蛋白（sIgA）。SIgA 是免疫系统发育的一个重要因素，SIgA表达对肠道菌群与宿主体内平衡的建立以及对胃肠道菌群的免疫耐受有重要作用[8]。肠道正常菌群和食物传播的病原微生物都是通过改变新生儿期Th2细胞的活性来增强SIgA介导肠表面屏障和促进口服耐受，从而在日后形成细胞因子新的平衡[9]。

树突状细胞是一种极其重要的免疫细胞，Latvala等[10]研究发现鼠李糖乳杆菌、双歧杆菌、嗜热链球菌等均可刺激树突状细胞表达CD86和HEHLA-DR，促进其成熟，但不同细菌促进其分泌细胞因子不同。肠道菌群也调控着NK细胞、嗜酸性细胞、Treg细胞等T细胞亚群分化成熟[11-13]：肠道的革兰氏(+)菌群是诱导IL-17分化成熟的刺激剂，丝状片段菌(SFB)是诱导IL-17分化成熟的主要菌种，能增强小肠对病原菌鼠类柠檬酸杆

菌的拮抗；梭菌属是诱导结肠粘膜表达Foxp3+ Treg细胞分化的功能菌群，改善结肠粘膜炎症和IgE介导的过敏应答；婴儿双歧杆菌能通过刺激树突细胞促进Treg细胞分化增殖。肠道细菌的代谢产物同样参与免疫系统的调节：Vinolo等[14]证实短链脂肪酸（SCFA）可影响白细胞向炎症迁移和破坏病原微生物的能力，这种作用通过细胞因子(TNF-α, IL-2, IL-6, IL-10)、花生酸类和细胞趋化因子的生成来实现。

已有证据表明肠道菌群促进出生后肠道黏膜免疫系统和全身免疫系统的发育成熟，与日后发生过敏、肥胖和糖尿病等免疫相关性疾病有关。Olszak等[15]研究者发现新生无菌鼠肠粘膜下层和肺组织蓄积大量NK细胞，提高了组织炎性应答，提高了IBD和过敏症的易感性，而植入肠道菌群，通过诱导CXCL16表达，抑制NK细胞在肠粘膜和肺组织蓄积，结论是初生早期的微生物暴露可限制NK细胞在肠粘膜和肺组织蓄积，调控宿主对IBD和过敏症的易感性。肠道菌群与宿主免疫系统的相互作用既可以导致B细胞的损害而增加1型糖尿病的风险，也可以通过细菌的脂多糖等引起代谢性炎症[16]。

2.菌群紊乱相关的儿童疾病

肠道菌群与健康密切相关，菌群与人体之间保持动态平衡能有效防止肠道内细菌及内毒素易位；当正常的微生物群落受机体及外环境影响，微生态平衡遭到破坏可使人体致病。

腹泻病和慢性便秘是儿童常见消化道疾病，其与肠道菌群紊乱的关系及益生菌治疗的有效性已广为所知。坏死性小肠结肠炎以早产儿多见，早年的研究认为肠道到正常菌群定植延迟是发病因素之一；最近的研究发现新生早产猪经过抗生素处理NEC发生率显著增加，提示抗生素使用与NEC有关[17]，而荟萃分析显示给予胎龄小于34周体重低于1500 g的早产儿生后10天内肠内益生菌7天以上可减少30%的NEC发病率并减少死亡[18]。

幽门螺杆菌(HP)感染可引起食管返流、胃炎、消化道溃疡等疾病，也可导致营养不良和生长发育迟缓，在年龄稍大儿童中较为常见，而发展中国家感染率更高；经典的三联根治疗法虽可控制HP感染，也打破了肠道菌群的动态平衡；研究证实益生菌尽管在增加儿童HP的根除率方面有争议，但可纠正菌群失衡并减轻药物治疗的副作用[19]。

炎症性肠病（IBD）是一组原因不明的慢性非特异性胃肠道炎症性疾病，包括克罗恩并和溃疡性结肠炎，其发病原因尚不明确。Hviid等[20]进行的前瞻性队列研究结果表明抗生素应用是导致儿童IBD发生的非常重要的环境因素。Sokol等[21]证实IBD患者肠道菌群中厚壁菌和拟杆菌的比例减少而变形菌比例增高。另有研究表明克罗恩的儿童肠道菌群存在双歧杆菌和乳酸杆菌的降低[22]。